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近年来,随着房地产业的发展,建筑涂料的用量剧增,涂料原材料价格上涨,成本提高[1 ] ,因此找到一种廉价的涂料新材料来取代部分价格较昂贵的原料,降低涂料成本,提高产品质量,是整个涂料行业在激烈竞争中面临的一个共同问题。膨润土是近几年来开发出来的一种新材料,由于它具有一系列独特的性能,目前已经有了广泛的应用研究[2～4 ] 。在建筑涂料中,可用作增稠剂、辅助粘结剂、悬浮防沉剂等。
1 膨润土在建筑涂料中的应用
1. 1 作无机增稠剂
膨润土是以蒙脱石为主要成分的粘土矿物。蒙脱石属于单斜晶系结构,是一种含水的层状铝硅酸盐矿物。由于蒙脱石层间带负电荷,所以蒙脱石像一个带负电荷的大阴离子,可以吸附阳离子、水和有机极性分子。因此,当膨润土分散于水性涂料中,涂料基团中的有机分子,如聚乙烯醇、聚醋酸乙烯、丙烯酸、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素等有机物分子中的- OH、- COOH、-CH2CH2OH 等极性基团,可以被蒙脱石层间负电荷所吸引,而插入层间,形成蒙脱石- 有机复合物(膨润土- 有机复合物) 。在涂料介质中,蒙脱石与有机物相互交联,形成膨润土- 有机复合物的网状立体结构,又因有机分子进入蒙脱石层间,使膨润土发生膨胀,从而增大了涂料的稠度[5 ] 。因而,膨润土是建筑涂料中较为常用的无机增稠剂,其增稠效果明显,可部分代替有机增稠剂。
在实验中发现,在配置涂料中加入膨润土作增稠剂可以大大减少纤维素类增稠剂和乳液型增稠剂的用量,降低成本。以下是未使用和使用膨润土的两次实验对比(见表1) 。
上述两配方所得涂料成品的粘度均在95KU左右。
从表1 可看出,配方2 中膨润土的使用代替了部分有机增稠剂用量,其中羟乙基纤维素用量比配方2 中减少了75 % ,乳液型增稠剂的用量减少了60 % ,而两配方的实际增稠效果相当。由于膨润土的价格低廉,所以配方2 比配方1 的成本大大降低。此外,据有关资料介绍[6 ] ,纤维素类增稠剂和乳液型增稠剂都会或多或少影响涂膜的耐洗刷性,而膨润土对涂膜的耐洗刷性几乎没有影响,同时还具有良好的防止颜、填料沉淀的效果。
1. 2 作辅助粘结剂
膨润土与水混合带来很大的粘结性。该特性来源于多方面,如膨润土亲水,颗粒细小,晶体表面电荷多样化,颗粒的不规则性,羟基与水形成氢键,对微量有机物的吸附和多种聚附形式形成溶胶[6 ] 。由于膨润土具有较好的粘结性和遮盖力,引入建筑涂料中可以代替部分基料和其他填料(如轻质碳酸钙) ,从而使产品成本降低。
以聚乙烯醇PVA 为主要成膜物的水性涂料,其耐水性较差,一般用来作内墙涂料。实验证明在此类涂料中加入膨润土可明显地减少聚乙烯醇和轻质碳酸钙的用量,同时提高涂料的耐洗刷性和耐水性(见表2～3) 。
从表2 可看出,膨润土的加入使得配方2 中聚乙烯醇和轻质碳酸钙的用量大为减少:聚乙烯醇的用量范围从3. 0～3. 5 减至2. 0～2. 5 ,轻质碳酸钙的用量范围从15. 0～20. 0 减到13. 0～15. 0 ,而成品的耐水性和耐洗刷性如表3 所示有明显的提高。同时涂料的成膜性能几乎没什么变化而涂料的成本却降低了12 %～18 %。
1. 3 作悬浮防沉剂
膨润土在水介质中具有良好的悬浮性和分散性。这是因为膨润土是由硅铝盐的片状晶层结合而成,水能进入其间而使层与层分离,因而膨润土易分散于水中成为极小的蒙脱石颗粒(0. 2μm 以下) [7 ] ,蒙脱石晶胞带有相同数目的负电荷,彼此同性相斥,在溶液中很难聚附成大颗粒而保持良好的悬浮性;膨润土结构中的羟基在静置的介质中会产生氢键,使涂料成为均匀的胶状物并具有一定的粘度[8 ] ;另外晶胞带有很多金属阳离子和羟基亲水基,因此表现出了强烈的亲水性和分散
性。在建筑涂料中加入适量的膨润土可使生成的涂料不易沉淀,不易分层,颜色均匀,从而改善涂料的悬浮稳定性,且涂刷性能好。基于此点,在配制涂料过程中,常使用膨润土作为改进涂料悬浮性能的防沉剂。笔者用苯丙乳液为基料设计了一
配方,制得成品1 。调整配方,加入总量2 %的膨润土,其余成分稍调整,制得成品2 。两次结果见表4～5 。
从表4～5 可以看出,加入少量(总量的2 %)的膨润土,涂料成品的贮存稳定性得到较好的改善:成品1 未加膨润土出现明显分层,上面一层为水层,而且放置时间越长水层越厚,分层越严重;成品2 整个涂料成品分散良好,稠度均匀,贮存至少一个月以上无分层变化。由此看出,膨润土是一种很好的悬浮防沉剂,在涂料中常用。
1. 4 用在防水涂料中
膨润土- 有机复合物生成后具有不可逆性,脱水后即变为疏水物,因而提高了涂料的防水性;此外,膨润土颗粒的晶胞中带有很多金属阳离子和羟基亲水基,具有强烈的亲水性和分散性,因而有乳化作用。基于此,可以制得膨润土乳化沥青防水涂料,制法见图1 。
图1 膨润土乳化沥青防水涂料制备工艺
此类涂料可用于屋面防水,房层漏水处的修补,地下工程、种子库地面防潮。在防水涂料中,高速运动的膨润土胶粒与低粘度热溶沥青发生激烈碰撞、切割,将沥青破碎、胶化。已胶化的沥青颗粒内极性物质对膨润土胶体微粒发生吸附作用,使被分散的沥青颗粒表面形成胶体水化膜,降低了沥青与水的界面张力,阻止沥青颗粒的重新凝聚,从而形成稳定的分散相,起到了乳化剂的作用[9 ] 。
2 建筑乳胶漆中膨润土的使用方法
在乳胶漆中,当使用钠基膨润土或经钠化改型处理的钙基膨润土时,由于膨润土在水中会电离而出现离子,应将其和所用的乳液进行相容性试验,以免因其电离的离子和乳液中乳化剂的离子电性相异而引起破乳现象。只有两者有较好的相容性才能进一步混合,具体有两种操作方法。
第一种:先将膨润土加水搅拌约20～30min ,分散均匀,制成一定质量分数的浆液。然后加入成膜助剂、消泡剂、杀菌剂等涂料助剂,同时把颜填料加入混合分散约40min ,最后加入乳液搅拌分散配制成涂料。
第二种:对于机械稳定性能好的乳液,如美国联碳D – 68M、罗门哈斯AC – 261 及巴斯夫的296D – S 乳液,可以先把膨润土加水搅拌分散成悬浮液,然后把乳液加水制成较低质量分数的水溶液。将乳液加入到膨润土悬浮液中,边搅拌边缓缓加入,使乳液单体进入蒙脱石的层间域,形成乳液单体/ 蒙脱石有机- 无机复合新物质,使乳液单体无机改性,并形成更粘更稠的物质。再加入其他颜填料和涂料助剂共同搅拌分散制成涂料[10 ] 。
3 膨润土应用中出现的问题及对策
3. 1 涂料沉淀
膨润土具有较好的分散性和悬浮性,在涂料中可用作悬浮防沉剂。在加入膨润土后,涂料仍产生沉淀,则可能是膨润土的质量不好,蒙脱石含量过低,应考虑选用蒙脱石含量高的膨润土;或是所用的膨润土为钙基膨润土,其分散性、悬浮性差,有效的解决办法是将钙基膨润土改型为钠基膨润土。
3. 2 涂料增稠
使用人工改型的钠基膨润土容易在涂料中出现增稠变厚现象,主要原因可能是改型剂选用不当,钙基膨润土改型为钠基膨润土,改型剂一般选用钠盐或钠碱,如碳酸钠、磷酸钠、硅酸钠、醋酸钠、氢氧化钠等,在选用中应考虑改型剂与涂料体系中其他组分的相容性;改型剂用量偏多,在配方中使用了水玻璃(即液态硅酸钠,实际上是膨润土钠化的一种改型剂) 或是水玻璃的用量偏多也能造成涂料增稠,用量过多时,游离的改型剂与涂料中的某些成分(基料及某些颜、填料) 作用使涂料增稠,解决办法是减少改型剂的用量。
3. 3 涂膜龟裂
膨润土具有吸水膨胀、失水收缩的特性。在涂料中加入膨润土有时会产生涂膜龟裂现象,主要原因是膨润土用量过多。应控制膨润土的用量,一般以3 %～10 %为宜。如果用量已经很少仍出现上述现象,则应从基料等其他方面找原因。
综上所述,只要我们在应用膨润土的过程中注意解决好这些问题,建筑涂料中膨润土的加入不但可以改善涂料的性能,提高产品质量,而且可明显地降低原材料成本,在实际生产中提高经济效益。
4 结论
膨润土的特殊结构,决定了它具有很多优良性能,而且价格低廉,因而在建筑涂料行业中得到广泛的应用。膨润土中的蒙脱石能与涂料中的有机物相互交联,形成立体网状结构,增加了涂料的稠度,改善了它的悬浮性和防沉性能,因而可用作无机增稠剂和悬浮防沉剂;由于膨润土具有较好的粘结性和遮盖力,在涂料制备中加入可代替部分成膜物,作辅助粘结剂;膨润土- 有机复合物一旦生成,脱水后即变为疏水物,因而可提高涂料的耐水性和耐洗刷性,同时可改善涂刷性、流平性等。膨润土在建筑涂料中的应用,在降低成本和改善性能方面已取得较好的效果,提高了经济效益。
我国膨润土资源丰富,全国已有23 个省、市、区80 个县发现膨润土矿(点) 400 多个,总储量达11. 25 亿t ,居世界第二位,全国膨润土生产厂家几百家,总产量已达200 多万t ,为建筑涂料的应用提供了充足的原材料来源,在建筑行业具有广阔的发展前景。
5 参考文献
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